第3部分压力和差压测量及变送(新)

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1、第三部分 压力和差压测量,3.1 概述介绍压力测量的有关概念 3.2 液柱式压力测量 3.3 弹性式压力测量 3.4 负荷式压力检测 3.5 电气式压力检测 3.6 压力、差压变送器 3.7 压力表的选择与安装,检测技术与仪表,3.1 概 述,3.1.1 基本概念 1、压力、压差测量的意义 工艺要求； 保证生产正常进行； 如锅炉的汽包压力、炉膛压力、烟道压力等。 安全生产需要：防止过压引起破坏或爆炸； 间接测量其他物理量； 如温度、液位、流量、密度与成分量等。 在工业生产中有很重要的地位。,3.1 概 述,2、压力的概念及单位,（1）压力,工程上，压力指介质垂直作用于单位面积上的力（物理学上叫

2、压强）；差压指两个测量压力之差值，即压力差。工程习惯叫做差压。,3.1 概 述,国际制单位为帕斯卡，简称帕(Pa)：1牛顿力垂直而均匀地作用在1平方米的面积上所产生的压力。 即：1帕=1牛顿/米2。 工业上一般用千帕（kPa）或兆帕（MPa）。 1Pa = 10-3 kPa = 10-6 MPa,（2）压力的单位及换算,3.1 概 述,工程上使用的压力单位： 工程大气压（kgf/cm2）：每平方厘米的面积上垂直作用1千克的力； 标准大气压（760mmHg）：标准重力加速度(980.665cm/s2)下, 13.5951g/cm3水银0时,760mm水银柱对底面的压力； 毫米水柱（mmH2O）：

3、标准状态下1mm水柱对底面的压力； 毫米汞柱（mmHg）：标准状态下1mm水银柱对底面的压力； 巴或毫巴和磅力/英寸2：英美等西方国家常使用。 压力单位间换算详见表3-1。,3.1 概 述,表3-1 压力单位换算表,绝对压力：指物体实际承受的压力。 表压：高于大气压的绝对压力Pa与大气压力P0之差， 即： P = Pa - P0 真空度：大气压P0与低于大气压的绝对压力Pa之差，也称负压，即 Ph = P0 - Pa,3、压力的表示方式（3种）,3.1 概 述,绝对压力Pa、表压P、真空度或负压Ph。,用一般压力表测得,3.1 概 述,如图3.1。 压力测量:相对于某个基准来进行； 压力敏感元

4、件2弹性膜片感受的是两侧压力之差，即P1P2，测量的是压力差，称为差压。,图3.1 压力的测量示意图 1高压室；2测压膜片；3低压室,3.1 概 述,若P2=0，则测得实际压力P1为绝对压力； 若P2侧通大气，则所测是绝对压力P1 与大气压力之差，即表压； 各工艺设备和检测仪表通常处于大气之中； 本身受到大气压力； 工程上常采用表压力或真空度来表示压力大小。,一般地，检测仪所测压力皆是表压或真空度； 无特别说明，以后所提压力，均指表压。,3.1 概 述,表压、绝对压力、大气压以及差压之间的关系如图3.2所示。,图3.2 压力的表示类型,(1) 液柱式压力检测 根据流体静力学原理，把被测压力转换

5、成液柱高度来测量。 主要仪器：U形管压力计、单管压力计、斜管微压计、补偿微压计和自动液柱式压力计等。,3.1.2 压力检测的主要方法和分类,3.1 概 述,方法很多； 按敏感元件和转换原理不同分为4类。,(2) 弹性式压力检测 根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来测量。 常用弹性元件：弹簧管、膜片和波纹管等。,3.1 概 述,(3) 负荷式压力检测 基于静力平衡原理进行压力测量。 典型仪表：活塞式、浮球式和钟罩式3大类。 常被用作标准仪器。,(4) 电气式压力检测 利用敏感元件将被测压力转换成各种电量。如电阻、电感、电容、电位差等。 动态响应特性好； 量程大，线性好； 便于自动控

6、制。,3.1 概 述,表3-1 压力测量仪表分类及性能特点,3.1 概 述,标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。 实现基准和各级标准的仪器：基准器和标准器。 基准器：国家最高的压力标准器； 分：基准器和工作基准器； 基准器国际比对，并传递给工作基准器（可复制多套，存于全国各地）一等标准器二等标准器三等标准器工作压力仪表。,3.1.3 压力标准与量值传递,3.1 概 述,3.1 概 述,3.2 液柱式压力检测,液柱式压力检测：以液体静力学原理为基础。 工作液：水银或水； U形管、单管、斜管； 工作液与被测介质不能起化学反应； 有清晰的分界线； 用于实验室或科研； 结构简单、使用方便、

7、准确度较高； 量程受液柱高低的限制，玻璃管易损坏； 就地指示，不能远传。,图3-1：U形管测量压力原理图。 P1、P2由两管口接入； 当P1=P2时，液体高度相等； 当P1P2时，液面有高度差。,3.2 液柱式压力检测,1、原理,3.2.1 U形管压力计,由流体静力学原理得： (3-1),3.2 液柱式压力检测,工作液密度； g测量所在地的重力加速度； h两边液面高度差。,若P2侧通大气，即P2=P0，则所测为表压：,可见： U形管可测压力差，或测某个表压； 提高工作液的密度，可扩大仪表量程；但灵敏度降低。 2.误差分析 (1) 温度误差 环境温度变化: 刻度标尺长度(一般可忽略)； 工作液密

8、度变化（修正）。,3.2 液柱式压力检测,相同压力的作用下，h值变小,如，当水从10变化到20时，其密度从999.8 kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。 (2) 安装误差 保证U形管严格处于铅垂位置； 否则将产生误差。 如，U形管倾斜5，液面高度差相对于实际值要偏大约0.38。,3.2 液柱式压力检测,(3) 重力加速度误差 重力加速度的影响； 高要求时，进行重力加速度修正。,3.2 液柱式压力检测,(4) 传压介质误差 实际中，传压介质一般为被测压力的介质； 传压介质为气体时： 若两引压管高度差较大；气体密度又较大； 须考虑传压介质对工作液的压力作用； 温度变化大，

9、考虑传压介质密度影响。 传压介质为液体时： 除考虑上述因素外； 注意传压介质和工作液不能互溶和起化学反应等。,3.2 液柱式压力检测,(5) 读数误差 毛细作用而引起； 毛细现象，引起管内液柱产生附加升高或降低； 与工作液的种类、温度和U形管内径等有关； 内径大于等于l0mm时，U形管的单管读数的最大绝对误差一般为lmm。,3.2 液柱式压力检测,液体附着在固体表面上的现象叫做浸润；液体不能附着在固体表面上的现象叫做不浸润。 浸润液体在细管内液面升高的现象和不浸润液体在细管内液面降低的现象，叫做毛细现象。,3.2.2 单管压力计,原理及结构： 实质仍是U形管压力计； 两管直径差很大； 单边读数

10、； 减小读数误差。 如图3-2所示。,3.2 液柱式压力检测,差压作用下，一边液面下降，另一边液面上升；有（体积相等）： (3-2) A0左管的截面积 A右管的截面积 h0左管中液面下降高度 h右管中液面上升高度。,3.2 液柱式压力检测,根据式(3-1)有：,使用： 测正压，宽容器接被测压力，肘管通大气； 测负压，肘管接被测负压，宽容器通大气； 测差压，宽容器侧接高压，肘管侧接低压； 型号为TG，精度0.02 1级； 精密测量或用作标准仪，进行密度和重力加速度修正。,解得： A0A，上式可简化为 (3-7),3.2 液柱式压力检测,(3-6),3.2.3 斜管压力计,单管压力计的变形； 测量

11、管斜放一个角度； 拉长液柱，减小读数误差；提高灵敏度； 主要用来测微小压力、负压和压力差。 如图3-3所示。,3.2 液柱式压力检测,公式为 l斜管内液柱的长度； 斜管的倾斜角度。,3.2 液柱式压力检测,(3-3),越小，灵敏度越高； 但太小，读数困难，增加读数误差； 实验室一般要求15。,斜管微压计：杯形容器、肘管、弧形支架、标尺、封液等组成。,3.2 液柱式压力检测,倾斜角可调； 弧形支架板上设计了一些固定肘管孔； 对应着一定的倾斜角度； 各孔处刻有一数字Ai（方便使用）； 读出液柱长度L（mm），则： P=AiL。,3.2 液柱式压力检测,3.3 弹性式压力检测,弹性元件受压产生弹性变

12、形与被测压力成一定函数关系 。 广泛应用于工业生产和实验室中。,1）结构简单、坚固、价低、准确度高、测量范围广； 2）便于携带和安装：与各种变换元件做成各种压力计； 3）在各种设备或场合安装； 4) 频响低，不宜于测量动态压力。,特点：,弹性元件受压后，在受压面表现为力F的作用，大小为： (3-9) A弹性元件承受压力的有效面积。 在弹性变形内与所受外力成正比。 C弹性元件的刚度系数； x弹性元件的位移(即形变)。,3.3.1 原理,3.3 弹性式压力检测,(3-10),则： A、C与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有关； 位移量较小时，视为常数；压力与位移成线性关系； 位移量较大时，不为常

13、数，分段线性化或进行修正； 注意温度对其的影响； A/C比值大小决定压力测量范围，比值越大，可测压力越大。,3.3 弹性式压力检测,(3-11),3.3.2 弹性元件（测压敏感元件）,常用：膜片、波纹管和弹簧管，如表3.2。 表3.2 弹性元件,3.3 弹性式压力检测,膜片：沿外缘固定的片状弹性元件。 用中心的位移来表征被测压力。 波纹膜片：压有环状同心波纹的圆形薄膜。 波纹数目、形状、尺寸和分布与测压范围有关。 膜盒：两块金属膜片沿周边对焊成一薄膜盒子。 直接带动传动机构就地显示； 位移较小，灵敏度低； 多配合压力变送器使用。,3.3 弹性式压力检测,1.薄膜式,平膜片和波纹膜片,波纹管：具

14、有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。 受外力时，波纹柱面舒展或压屈机械位移； 有单波纹管和双波纹管； 位移x与作用力F的关系为：,3.3 弹性式压力检测,2.波纹管,(3-12),泊松系数；E弹性模数； h0非波纹部分的壁厚；n完全工作的波纹数；波纹平面部分的倾斜角；RB波纹管的内径；A0、A1、A2和B0与材料有关的系数。,3.3 弹性式压力检测,位移相对较大； 可直接带动传动机构，就地显示； 灵敏度高(特别是在低压区)； 迟滞误差较大，准确度最高为1.5级。,3、弹簧管,3.3 弹性式压力检测,弹簧管：一根弯成270圆弧的椭圆形 ( 或扁圆形)截面空心金属管子。如图3-5，,

15、被测压从开口端引入； 椭圆截面在压力P的作用下趋向圆形； 弹簧管产生向外挺直的扩张变形； 改变了弹簧管的中心角，使自由端产生位移（如图中的虚线所示）； 中心角改变量和所加压力的关系如下：,(3-13),3.3 弹性式压力检测,0弹簧管中心角的初始角； 受压后中心角的改变量； a弹簧管椭圆形截面的长半轴； b弹簧管椭圆形截面的短半轴； h弹簧管椭圆形截面的管壁厚度； R弹簧管弯曲圆弧的外半径； k几何常数； 、与比值有关的参数。,3.3 弹性式压力检测,式 (3-13) 仅适用于薄壁 ( h/b 0.7-0.8 ) 的弹簧管。 由上式知：如a = b，则= 0，表明具有圆形截面的弹簧管不能用作测压敏感元件； 单圈弹簧管，中心角变化量较小； 采用多圈弹簧管提高 。,3.3 弹性式压力检测,3.3.3 单圈弹簧管压力计,1.结构,如图3-6，被测压力接头9 弹簧管1自由端产生位移拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转中心齿轮4 指针5顺时针偏转面板6的刻度标尺上显示出被测压力值。,3.3 弹性式压力检测,游丝7是用于克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。 量程调节：改变调节螺钉8的位置(即改变机械传动的放大系数) 。 输入压力为负压时，自由端位移反相，齿轮、指针的旋转方向也反相。,3.3 弹性式压力检测,设弹簧管压力计